DE19703738C2 - Verfahren zur Bestimmung geometriebestimmender Parameter eines Koordinatenmeßgerätes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung geometriebestimmender Parameter eines Koordinatenmeßgerätes in Hexapod-Bauweise.

Gemäß dem Stand der Technik erreichen Koordinatenmeß­ geräte in der Regel ihre spezifizierte Genauigkeit mit Hilfe einer Geometriekorrektur, bei der die Abweichungen der Maßstäbe und der geometriebestimmenden Elemente gemes­ sen und rechnerisch korrigiert werden. Verfahren zur Auf­ nahme und Durchführung dieser Korrektur sind für konventio­ nelle Koordinatenmeßgeräte, das heißt für solche mit im we­ sentlichen starrer Struktur und senkrecht aufeinander auf­ bauenden geraden Achsen bekannt.

Gemäß der deutschen Patentanmeldung 195 34 535.5 wird ein nicht-kartesischer Aufbau für ein Koordinatenmeßgerät beschrieben. Dieses zum Stand der Technik gehörende Koordi­ natenmeßgerät weist einen zur Antastung des Werkstückes be­ wegbaren Tastkopf auf, der von einem im wesentlichen star­ ren Körper fest, auswechselbar fest oder beweglich getragen wird. Darüber hinaus ist ein Positioniermechanismus für den Tastkopf zur Positionierung des Tastkopfes relativ zur Werkstückaufnahme vorgesehen sowie eine Versorgungs-, Steuer- und Auswerteeinrichtung. Der Positioniermechanismus besteht aus an einer Grundplatte an wenigstens drei fest vorgesehenen Punkten allseitig schwenkbar gelagerten Beinen. Die Beine des Positioniermechanismus sind mit ihren freien Enden allseitig schwenkbar an dem den Tastkopf tragenden Körper befestigt, und die Länge der wenigstens drei Beine und/oder ihre Neigungen zur Grundplatte sind meßbar verstellbar.

Ein Verfahren, das es gestattet, bei einem Koordina­ tenmeßgerät mit einem solchen Aufbau, insbesondere bei ei­ nem Koordinatenmeßgerät in Hexapod-Bauweise, die Abwei­ chungen der Maßstäbe und der geometriebestimmenden Elemente aufzunehmen, wird gemäß der deutschen Patentanmeldung 196 40 674.9-52 beschrieben. Gemäß diesem Verfahren werden bei einem Hexapod-Koordinatenmeßgerät zunächst die Längen­ abweichungen der längenveränderlichen Elemente (Beine) aufgenommen und korrigiert und nach Montage des Hexapoden die übrigen Geometrieabweichungen mit Hilfe eines Prüfkör­ pers bekannter Abmessungen aufgenommen, der in verschiede­ nen Stellungen gemessen wird.

Dieses zum Stand der Technik gehörende Verfahren er­ fordert einen hochgenau kalibrierten Prüfkörper, etwa eine Kugelplatte. Hierdurch fallen einige Kosten an. Darüber hinaus erfordert dieses Verfahren eine gewisse Meßzeit. Insbesondere bei einer häufigen oder täglichen Überprüfung und Wiederherstellung der Genauigkeit, zum Beispiel nach einem Umbau des Koordinatenmeßgerätes von einer waagerech­ ten auf eine senkrechte Basis oder nach extremen Tempera­ turänderungen, ist ein relativ hoher Meßzeitaufwand erfor­ derlich.

Zum Stand der Technik (DE 44 03 901 A1) gehört darüber hinaus eine Koordinatenmeßmaschine zum Messen von dreidi­ mensionalen Koordinaten. Es handelt sich bei diesem Stand der Technik um eine Gelenkarmkoordinatenmeßmaschine.

Nach dem Zusammenbau der Vorrichtung wird eine anfäng­ liche Eichung vorgenommen (Spalte 12, Zeilen 24 ff.). Hierzu wird eine Vielzahl von dimensionalen Messungen aus­ geführt, die Positionen, Orientierungen und Abmessungen über das gesamte Volumen der Vorrichtung umfassen. Danach wird ein Optimierungs-Softwareprogramm verwendet, um die tatsächliche Falschausrichtung zu bestimmen, die bei jeder der Gelenkachsen vorhanden ist, und die kinematischen For­ meln anzupassen, die die Bewegungen des Armes beschreiben. Diese zum Stand der Technik gehörende Vorrichtung hat den Nachteil, daß, wie auch in dieser Druckschrift ausgeführt ist (Spalte 12, Zeile 45), riesige Mengen von Daten anfal­ len.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren zur Ermittlung der Parameter der Geometrie eines Koordinatenmeßgerätes, vorzugsweise in Hexapod-Bauweise anzugeben, das ganz oder weitgehend ohne einen kalibrierten Prüfkörper auskommt, und welches darüber hinaus in sehr kurzer Zeit und unter Erfassung von relativ wenigen Meßdaten durchgeführt werden kann, sowie ein Koor­ dinatenmeßgerät zur Durchführung des Verfahrens.

Dieses technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruches 1 ge­ löst.

Erfindungsgemäß wird das Tastelement an einem Ort fi­ xiert, beispielsweise durch zentrierendes Antasten einer Kegelbohrung. In diesem Zustand wird die Plattform in ver­ schiedene Stellungen, das heißt Orientierungen gebracht, bei denen die Beine verschiedene Längen und Richtungen ein­ nehmen. Diese verschiedenen Achseneinstellungen weichen vorteilhaft stark voneinander ab.

Aus den dabei gewonnenen Beinlängendaten werden die geometrischen Parameter ermittelt. Solche Parameter sind beispielsweise die Differenz zwischen der am Maßstab abgelesenen Länge und der tatsächlichen Beinlänge (zwischen den Anlenkpunkten) für jedes Bein, die Positionen der Anlenk­ punkte der Beine an Basis und Plattform, die Richtungen und Abstände der Drehachsen in den Gelenken und die Position des Tastkopfs an der Plattform.

Da hierbei nur die Abweichungen der geometrischen Pa­ rameter von Sollwerten bestimmt werden müssen, ist dies in einfacher Weise durch eine Störungsrechnung möglich. Sind mehr Beinlängendaten vorhanden als nötig zur eindeutigen Festlegung der geometrischen Parameter, so wird ein Bestfit oder eine Auswahl der relevanten Daten vorgenommen.

Es sind verschiedene Ausführungsformen des erfindungs­ gemäßen Verfahrens möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Koordinaten­ meßgeräten in Hexapod-Bauweise verwendet. Bei einem solchen Koordinatenmeßgerät ist der Tastkopf an einer Plattform angeordnet, die von sechs längenveränderlichen Elementen (Beinen) getragen wird, die mit ihren Enden jeweils an der Plattform und an einer stationären Basis ansetzen. Durch Längenänderungen der Beine kann die Plattform verschiedene Positionen und Orientierungen im Raum einnehmen.

Die Messung von Position und Orientierung der Platt­ form geschieht durch Messung der Beinlängen, die in ihrer Gesamtheit eindeutig Position und Orientierung der Platt­ form festlegen, oder durch ein unabhängiges Meßsystem. Die Steuerung des Koordinatenmeßgerätes rechnet die Beinlängen in kartesische Koordinaten und Orientierungswinkel um und umgekehrt. Daran anschließend sind die meisten Funktionen der Maschinensteuerung und der Auswertesoftware dieselben wie bei einem konventionellen Koordinatenmeßgerät.

Es ist bekannt, ein Koordinatenmeßgerät so zu steuern, daß die Tastkugel in die Spitze einer kegelförmigen Bohrung eingesenkt wird, entweder durch Bestimmung der Kegelspitze durch Punktantastung und Anfahren der betreffenden Position oder durch Scannen und direktes Auffinden der Kegelspitze. Das erste Verfahren kann sowohl mit messenden als auch mit schaltenden Tastsystemen ausgeführt werden, das zweite Ver­ fahren nur mit messenden Tastsystemen. Dieses zweite Ver­ fahren ist das schnellere und universellere, das heißt, es bestehen nur geringe Anforderungen an die Form des Kegels. Daher wird für das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren unter Einsatz eines messenden Tastkopfes bevorzugt. In bei­ den Fällen wird die Position der Tastkugel durch den Kegel und durch die Größe der Tastkugel bestimmt.

Ist der Tastkopf des Hexapod-Koordinatenmeßgerätes als messender Tastkopf ausgebildet, so wird erfindungsgemäß zunächst die Tastkugel vorzugsweise automatisch in eine we­ nigstens näherungsweise kegelförmige Bohrung eingesenkt, die sich in einem ortsfest auf der Werkstückaufnahme ange­ brachten Körper befindet. Da dies ein geregelter Vorgang ist, ist dies auch ohne genaue Kenntnis der geometrischen Abweichungen möglich. Durch die Antastung der Kegelspitze ist ein Punkt festgelegt, der bei beliebiger Orientierung der Plattform im Rahmen der Unrundheit der Tastkugel (meist wesentlich geringer als die Ungenauigkeiten des Koordina­ tenmeßgerätes) stets derselbe ist.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Orientierung der Plattform verändert, so daß die Beine dabei wesentlich verschiedene Längen und Richtungen einneh­ men. Die Auslenkung des Tastkopfes kann hierbei durch Nach­ regeln konstant gehalten werden oder aber es kann die Ver­ änderung der Tastkopf-Auslenkung gemessen und bei der Be­ rechnung der Geometrieparameter berücksichtigt werden. Letzteres ist dann möglich, wenn die geometriebedingten Ab­ weichungen kleiner sind als der Meßbereich des Tastkopfes, was häufig der Fall ist.

Die einzelnen Abweichungen der geometriebestimmenden Elemente, wie etwa Versätze von Anlenkpunkten gegenüber Soll- oder Ausgangswerten, wirken sich bei dieser Bewegung der Plattform in verschiedener, von der Orientierung der Plattform abhängiger Weise aus, so daß aus den berechneten Positionen und Orientierungen der Plattform und gegebenen­ falls den gemessenen Werten der Tastkopf-Auslenkung auf die geometriebestimmenden Parameter geschlossen werden kann. Da eine geschlossene Lösung in der Regel nicht möglich ist, werden hierzu bekannte Iterations- oder Näherungsverfahren, beispielsweise die Störungsrechnung, eingesetzt.

Ob mit diesem Verfahren alle oder nur einige geome­ triebestimmende Parameter bestimmt werden und mit welcher Genauigkeit, hängt unter anderem von der Geometrie des Hexapoden ab, von der Position der Kegelbohrung, von der Vollständigkeit des Geometriemodells, von der Anzahl und der Spannweite der eingenommenen Orientierungen und von der Meßgenauigkeit der Position und Orientierung der Plattform und der Tastkopfauslenkung. Gegebenenfalls muß zwischen dominierenden und untergeordneten Abweichungen unterschie­ den werden, und es ist dann eventuell nur möglich, die do­ minierenden Abweichungen zu bestimmen.

Eventuell ist es auch erforderlich, die Kegelbohrung an verschiedenen Orten im erreichbaren Volumen des Koordi­ natenmeßgerätes aufzustellen oder unterschiedliche Tast­ stifte einzusetzen. Die Position oder die Positionen der Kegelbohrung im erreichbaren Volumen des Koordinatenmeßge­ rätes muß, beziehungsweise müssen so gewählt werden, daß die geometriebestimmenden Parameter sich auf Position und Orientierung der Plattform auswirken, damit sie auch tat­ sächlich bestimmt werden können. Die Konstruktion des Hexa­ poden ist vorteilhaft so ausgestaltet, daß dies an den für die Position der Kegelbohrung vorgesehenen Orten auch gilt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in sehr kur­ zer Zeit durchführen, vorzugsweise als automatischer Meß­ lauf. Der Körper, der die Kegelbohrung enthält, kann fest am Koordinatenmeßgerät angeordnet sein oder wird vom Be­ nutzer auf der Werkstückaufnahme befestigt. In diesem Fall kann ein handgesteuerter "Lernlauf", wie bei anderen Prüf­ körpern, zur Auffindung der Bohrung notwendig sein. Es kann aber auch vorteilhaft sein, einen Körper, der mehrere Ke­ gelbohrungen enthält, auf der Werkstückaufnahme anzubrin­ gen.

Nach Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die geometriebestimmenden Parameter des Koordinatenmeßgerä­ tes bekannt und werden in einem Korrekturmodell zur Verbes­ serung der Genauigkeit des Koordinatenmeßgerätes verrech­ net. Das Verfahren ist daher mindestens einmal nach der Montage oder Aufstellung des Koordinatenmeßgerätes anzu­ wenden. Es kann aber auch sinnvoll sein, dieses Verfahren regelmäßig zur Überprüfung und Nachkorrektur des Koordina­ tenmeßgerätes einzusetzen. So kann es beispielsweise bei bestimmten Einsatzarten oder Bauformen notwendig sein, nach Umsetzung des Koordinatenmeßgerätes an einen anderen Ort oder in eine andere Lage, eine Nachkorrektur vorzunehmen. Auch zur Nachkorrektur bei Temperaturschwankungen, das heißt zur Optimierung der Genauigkeit beziehungsweise einer Temperaturkompensation, unter den aktuellen Bedingungen, ist das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund des geringen Zeitbedarfs vorteilhaft.

Ein weiteres Ziel bei der Ausführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens ist die Festlegung des Nullpunktes der Beinlängenmessung.

Aus Kostengründen werden bei konventionellen Koordina­ tenmeßgeräten meist inkrementale, nicht absolut-kodierte Maßstäbe eingesetzt. Der Nullpunkt des Maschinenkoordina­ tensystems wird dann bei einer Referenzfahrt nach dem Ein­ schalten des Koordinatenmeßgerätes mit Hilfe einer Refe­ renzmarke, deren Genauigkeit nicht der des Koordinatenmeß­ gerätes entsprechen muß, festgelegt. Bei einem Koordina­ tenmeßgerät in Hexapod-Bauweise ist aufgrund der nicht­ linearen Beziehung zwischen Beinlängen und kartesischen Ko­ ordinaten jedoch die Kenntnis des Nullpunktes der Beinlängenmessung mit einer geringeren Unsicherheit als der Meßunsicherheit des Koordinatenmeßgerätes erforderlich.

Zu den Parametern, die bei Ausführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens bestimmt werden, gehört auch die abso­ lute Beinlänge, die sich für jedes Bein von dem gemessenen um einen, von Orientierung des Hexapoden und Temperatur ab­ hängigen, aber ansonsten konstanten Betrag unterscheidet. Damit kann der Nullpunkt der Beinlängenmessung für jedes einzelne Bein auch bei Verwendung inkrementaler Maßstäbe, wozu auch einfache Laserinterferometer gehören, durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt werden, wenn der Ort der Kegelspitze im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes fest ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann automatisch, halb­ automatisch oder manuell ablaufen.

Das Verfahren ist auch bei einem Koordinatenmeßgerät in Hexapod-Bauweise einsetzbar, bei dem nicht alle sechs Freiheitsgrade, aber mehr als drei realisiert sind.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung dargestellt.

Die Figur zeigt ein Koordinatenmeßgerät (1) in Hexa­ pod-Bauweise. Ein Tastkopf (2) mit einer Tastspitze (3) ist an einem Ausleger (4) angeordnet. Der Ausleger (4) ist an einer Plattform (5) angeordnet, an welcher sechs längenver­ änderliche Beine (6 bis 11) angelenkt sind.

In einer ersten Position (A) wird die Tastspitze (3) durch zentrierendes Antasten einer Kegelbohrung (13) in ei­ nem Prüfkörper (12) fixiert. In dieser Position werden die Beinlängendaten ermittelt.

Anschließend wird die Plattform (5) in eine zweite Po­ sition (B) (gestrichelt dargestellt) gebracht, wobei die Tastspitze (3) nach wie vor in der Kegelbohrung (13) durch zentrierendes Antasten fixiert ist.

In dieser Position werden wiederum die Beinlängendaten erfaßt. Anschließend werden aus den in den beiden Positio­ nen (A, B) ermittelten Beinlängendaten die geometriebestim­ menden Parameter ermittelt.

Bezugszahlen

1

Koordinatenmeßgerät

2

Tastkopf

3

Tastspitze

4

Ausleger

5

Plattform

6

bis

11

Beine

12

Prüfkörper

13

Kegelbohrung
A, B Postionen

Claims (12)

1. Verfahren zur Ermittlung geometriebestimmender Pa­ rameter eines Koordinatenmessgerätes in Hexapod-Bauweise, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• 1. Ermittlung und Korrektur von Längenmeßfehlern aller Maßstäbe, die zur Messung von Beinlängen dienen,
• 2. Positionieren einer Tastkugel (3) an eine vorbestimm­ te räumliche Position (13), in der die räumliche Lage des Mittelpunktes der Tastkugel (3) mechanisch fixiert ist,
• 3. Messen der Längen der Beine (6 bis 11) mit Hilfe der in Schritt eins korrigierten Maßstäbe,
• 4. mindestens einmalige Wiederholung der Schritte zwei und drei, wobei die Lage des Tastkugelmittelpunktes jeweils ein und dieselbe räumliche Position einnimmt, und die Stellung (A, B) der Geräteachsen jeweils voneinander ab­ weichen,
• 5. Berechnen der geometriebestimmenden Parameter aus den während der mindestens zwei Durchläufe der Schritte zwei und drei gemessenen Beinlängen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festlegen der Position der Tastkugel (3) im Raum durch Antasten oder Hineinfahren in eine statisch bestimmte Aufnahme durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Hineinfahren in eine statisch bestimmte Aufnahme die Tastkopf-Auslenkung bei jeder Orientierung auf densel­ ben Wert geregelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim Hineinfahren in eine statisch bestimmte Aufnahme die Abweichung der Tastkopf-Auslenkung gemessen und im dritten Schritt mitverrechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als statisch bestimmte Aufnahme eine wenigstens nähe­ rungsweise kegelförmige Bohrung (13) verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als statisch bestimmte Aufnahme eine durch drei Kugeln oder drei Walzen gebildete Aufnahme verwendet wird.

7. Verfahren zur Ermittlung geometriebestimmender Pa­ rameter eines Koordinatenmessgerätes in Hexapod-Bauweise, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• 1. Ermittlung und Korrektur von Längenmeßfehlern aller Maßstäbe, die zur Messung von Beinlängen dienen,
• 2. wiederholtes Antasten einer Kugel und Bestimmung des Kugelmittelpunktes,
• 3. Messen der Längen der Beine (6 bis 11) mit Hilfe der in Schritt eins korrigierten Maßstäbe,
• 4. mindestens einmalige Wiederholung der Schritte zwei und drei, wobei die Lage des Tastkugelmittelpunktes jeweils ein und dieselbe räumliche Position einnimmt, und die Stellung (A, B) der Geräteachsen jeweils voneinander ab­ weichen,
• 5. Berechnen der geometriebestimmenden Parameter aus den während der mindestens zwei Durchläufe der Schritte zwei und drei gemessenen Beinlängen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle geometriebestimmenden Parameter bestimmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren an verschiedenen Orten und/oder mit ver­ schiedenen Tasterlängen durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastkugel wenigstens einmal aus der Kegelbohrung (13) ausgehoben wird, um eine Verschlechterung der Genauig­ keit durch Reibung zu vermeiden.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur wiederholten Bestimmung der geomet­ riebestimmenden Parameter eingesetzt wird.

12. Koordinatenmeßgerät zur Durchführung des Verfah­ rens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koor­ dinatenmeßgerät (1) als ein Koordinatenmeßgerät in Hexapod- Bauweise ausgebildet ist, daß das Koordinatenmeßgerät (1) eine Plattform (5) aufweist, an der der Tastkopf (2) ange­ ordnet ist.